一种基于电机驱动重构的电池包加热集成拓扑

刘 颖，王心坚，黄冉军

(同济大学 汽车学院，上海 201804)

锂离子电池在低温下内电阻增加，可用容量降低，对续驶里程及电池使用寿命影响明显，为扩大应用范围，车辆需要给电池预热[1]。目前对于动力电池低温环境下的预热研究主要围绕外部预热方式和内部预热方式[2]。外部加热方式利用传热学中各种热量传递方式对电池进行加热，效率相对较低。内部加热方式利用交变电流通过电池自身电阻直接对电池内部进行加热，不受电池箱尺寸、空间以及安装方式限制，加热均匀，效率更高[3]。

然而，内部加热方式需要在系统中提供储能设备和相应的控制电路以实现电池充放电时的能量交换，目前的内部加热方案还存在充放电能力不足、实际中只能维持小倍率充放电、系统改造大、成本高等问题[4]。本文提出一种新的电机驱动与电池包加热一体化拓扑结构，该结构成本低、对驱动系统改造小，有利于内部加热方案的车载实现。针对该结构，本文进行电池包和储能电容间的电能变换(以下简称电电能量变换)机理分析，构建零序电流控制策略，并搭建仿真电路，以验证方案的可行性。

1.1 一体化拓扑结构

如图1所示，拓扑结构由动力电池包、直流链路电容C2、三相逆变器、分时复用的永磁同步电机、储能电容C1和控制模块组成。驻车加热模式下，继电器SW1闭合，三相绕组形成三相四线制连接，中性点电端口通过储能电容C1与动力电池形成零序通路，实现电电能量转换。图1的零序电感为等效电感。行车驱动模式下，SW1断开，三相绕组形成Y形接法，实现机电能量转换。

图1 一体化拓扑结构

C1作为外部储能设备与电池进行能量交换。直流链路电容C2起到滤波作用，兼具一定的储能能力。当电能从动力电池包流向C1时，电路可以等效为BUCK降压电路，逆变器下桥臂关断，上桥臂受PWM控制，如图2(a)所示；
当电能从C1流向动力电池包时，电路可以等效为BOOST升压电路，逆变器上桥臂关断，下桥臂受PWM控制，如图2(b)所示。

图2 等效电路

1.2 工作原理

一体化拓扑结构中，驻车加热时电机静止，电机三相电流同相相等，即相电流均流：

ia=ib=ic

(1)

对于三相交流信号，根据对称分量法可以分解为正序、逆序和零序分量：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：α为旋转因子，α=ej120°，上标+代表正序分量，上标-代表逆序分量，上标0代表零序分量，其中正序分量、逆序分量各自的三相代数和均为0，而三相零序分量相等。

将式(1)代入上式，此时三相电流只包含零序分量：

(6)

通过中性线流向储能电容的电流：

iN=ia+ib+ic=3i0

(7)

磁能Wm计算公式：

(8)

式中：WPM为永磁磁能；
Labc(θ)为三相电感矩阵；
θ为电角度。忽略齿槽作用，永磁磁能WPM为恒定值。由式(6)、式(8)可得：

(9)

式中：Laa(θ)、Lbb(θ)、Lcc(θ)为三相定子绕组的自感；
Mab(θ)、Mac(θ)、Mba(θ)、Mbc(θ)、Mca(θ)、Mcb(θ)为三相定子绕组之间的互感。驻车加热时电机保持静止，θ为常量，此时磁能是关于零序电流的函数，零序电流变化引起零序磁场的磁能变化，电流增加时零序磁场储存能量，电流减小时零序磁场释放能量，实现电能变换。

ABC坐标系到dq0坐标系的变换矩阵如下：

C3S→3R=

(10)

电机电磁转矩方程：

(11)

式中：p为电机极对数；
ψf为永磁磁链幅值；
Ld、Lq分别为直、交轴电感。

电电能量变换控制框架图如图3所示，从图1电路中获取储能电容C1两端的电压Vcap、流经储能电容的零序电流I0、电池包电流Ibat，设定充放电需求电流Iset和储能电容预充电压Vinit作为输入。PWM控制信号由直流分量调制度mDC和交流分量调制度mAC叠加得到。首先对C1进行预充，此时仅存在mDC，预充完成后mAC开始加入作用。

图3 电电能量变换控制框架图

为了将直流量和交流量分开控制，采用陷波滤波器滤除I0和Vcap中的交流分量，得到直流反馈信号，通过PI调节器控制mDC的生成；
交流反馈信号直接取自电池侧交流电流Ibat，由于死区的影响，将交流量分为基波和谐波分量[5]，通过多个并联的准谐振控制器分别产生各阶mAC。

2.1 LC串联谐振

目标充放电电流Iset可以表示：

Iset(t)=Asin(ωt)

(12)

式中：A是电流幅值；
ω是电流角频率。

为了与电池侧进行高效的能量交换，调节储能电容值和电机零序电感值，使其形成串联谐振，谐振频率为ω，此时LC串联电路的阻抗最小[6]。拉高储能电容两端电压的直流分量可以获得更大的能量交换，但过高会造成电机与逆变器功率器件桥臂连接点处电压高于电池侧直流母线电压，因此需要根据电池特性合理选择电容预充电压。

2.2 基于内模原理的PR控制

内模原理表明，对于一个反馈控制系统，若其前向通道中包含输入信号和扰动信号动力学特性的数学模型，则此反馈控制系统将具有无差跟踪指令信号和抗扰运行的能力[7]。PR(Proportional Resonance)控制器由比例环节和谐振环节构成，理想的PR控制器传递函数表达式：

(13)

式中：Kp、KR分别为比例系数和谐振系数；
ω0为谐振角频率。正弦信号的拉氏变换表达式：

(14)

式(13)、式(14)的分母多项式相同，根据内模原理，PR控制可用于实现对需求充放电电流的无静差跟随。

在实际应用中，理想的PR控制受数字电路精度和模拟电路元器件参数精度的限制不易实现，并且带宽较窄，只对单一的频率起作用。因此，在控制电路中使用准谐振(Quasi Proportional Resonance)控制，既能保持PR控制器高增益的优点，而且可以扩大带宽以减少频率偏移的影响，传递函数表达式：

(15)

式中：ωc是截止频率。

电电能量变换仿真电路以25 kHz的三角波作为正弦脉宽调制的载波，由于充放电拓扑结构本质为三相并联Buck/Boost，采用交错并联控制策略可以改善电路工作特性，减小电流高频纹波，因此三角载波每相相差120°。

在仿真中，使用5个并行准谐振控制器分别控制五阶交流分量。电路参数如表1所示，图4为此组参数下设定目标电流Iset及电池包电流Ibat随时间变化曲线，图5为电池包两端电压Vbat及储能电容两端电压Vcap随时间变化曲线。可见，电容预充完成后电池包电流在几个周期内迅速跟踪上设定电流，反映了本方案的可行性。

表1 仿真电路参数

图4 目标电流与电池包电流

图5 电池包两端电压与储能电容两端电压

针对车载电池包加热方式存在的充放电能力不足、实际只能维持小倍率充放电、系统改造大、成本高等问题，本文提出一种新型电机驱动与电池包加热一体化拓扑结构，该拓扑结构避免了额外的硬件并具有高功率，经过机理分析和仿真计算，该一体化拓扑结构能有效对电池进行大功率充放电，以实现高效自加热。